2019 文博會特輯:6 種常見的金屬產品製造成形法

長久以來,堅固耐用又有良好導熱性的金屬不曾在食器的製作中缺席。憑藉良好的成形特性,金屬製的產品可說是千變萬化,小至水果叉,大至厚重的鐵茶壺,無一不深植於我們的日常生活。究竟難以撼動的金屬是如何呈現出這麼多風貌 ? 新創產品的開發上又如何選擇適當的工藝 ?

各式成形工藝的起源 : 鑄造與鍛

時至今日雖然有許多先進的技術,大多也只是以各種機具的運作取代人力,執行澆鑄或鍛造這兩個金屬成形上亙古不變的工法。

鑄造 :

由於金屬熔融的特性,將液態金屬倒入模具中冷凝固化的鑄造成形一直是主要加工方式之一。常見的執行方式有翻砂、脫蠟、重力、離心或壓力鑄造等,根據成形需求,還有更多族繁不及備載的項目 !

鑄造難以被取代的優勢是從外形、原料種類、尺寸幾乎都不受限,尤其是內腔形狀複雜的物件;對於設備的投資也相對較低廉,廢料回收再製也容易。鑄造件能有很高的硬度,但是一般表面細緻度與機械性質較差,報廢率也高。

日營五金 的脫蠟鑄造過程局部

鑄造成形廣泛應用於許多物件,像日本的南部鐵器就是以沙模翻製厚實的鑄鐵茶壺。其他如金屬刀叉、鍋具、牛排的鐵盤、甚至到大同電鍋,都是以各種技術鑄成,再搭配後端加工修飾。運用翻砂或脫蠟也能執行小批量的生產或打樣,尤其適合內面造型複雜封閉或外形刁鑽的物件。

鍛敲 :

應用金屬的延展性,直接對原料錠或薄片進行敲打或輾軋直至成形。除澆鑄跟機加工以外的各種成形方式幾乎都是鍛造技術的延伸。

鍛件一般具有良好的機械性質,重型機具為主的製程也有節省原料跟生產快速的優點;人工為主的自由鍛敲則有極高的靈活度,適合開發或高單價藝品少量製作。相對而言若非人力生產的小型物品,鍛造零件的生產會需要資本浩大的加工機具,考量稼動率外形也不如鑄造自由。

大型機具的鍛敲過程

鍛敲的過程可以緻密金屬的晶體結構,使物件輕薄而強韌。在手工錘鍛上此特性能改善一些化學性質穩定或高價值金屬的質軟特性,如金、銀、銅或錫等,櫛比鱗次的錘紋也讓每件作品帶有獨一無二的層次。

人工鍛敲適合應用在延展性良好的貴金屬,根據設計外形進行訂製。如台灣的 Woo Collective 便是以純手工打造鍛製錫器,詳見「承襲傳統的新生命:深入了解 Woo Collective 的手工錫器製程」。

工業上的鍛造除了大型的鍛敲機和模具,一般還會結合許多淬鍊技術;多用於強度需求高的機械部件,如列車的車輪或是船舶的引擎傳動軸。

工業時代的開端 : 機加工技術

以動力機械對金屬進行切削等減法加工,大幅提高了精度與產能,並實現「以機器生產機器」的概念,是開啟了工業時代的重要技術,其中有大家熟悉的車床、銑床、搪床外,結合數位技術而發展的 CNC 或多軸加工機等也一直是目前精密工業的主流

透過適當的刀具和工序,機加工的物件可以輕易達到極高的精密度與表面品質,並輕易地複製成果。少量生產高精度的產品或零件,並減少表面處理的成本而言,CNC 往往是不二之選。

機加工雖然精度極高,但在生產效率上難比鑄造或衝壓等工藝,適合用於公差要求較高的實體物件成形,如設備的零部件、模具、或外觀單純但定位精緻的金屬產品。逐件加工的特性也很適合前期打樣開發。

少批量的精緻生產 : 鏇壓成形

鏇壓是以人工或機器帶動刀輪、工具,將金屬片逐漸推向旋轉中的模具來成形的工藝,可以大幅提升製造軸對稱圓形物件的效率。雖然在今日大幅被成熟的衝壓技術取代,但是依然有其獨有的優勢。

鏇壓成形的物件會有較強韌的機械性質,對胚料的拉伸程度也較大,不容易出現撕裂。模具成本低廉,一般只需要一副芯模即可製作;對於材料跟機台的要求也較低,常見以車床代用鏇壓機。

台鑫工業社 的手工鏇壓
動圖中的收口造形乍看無法脫模,但是中間芯模其實可以拆成五塊 !

鏇壓成形所需的工序設備較衝壓少,但是多採用人工製作,效率較低。適合品項眾多但小批量的生產。工業量產上多用自動機具進行捲邊或縮口加工衝壓後的物件。但成形薄件產品時,熟練的人工可以得到比機器漂亮的表面外觀。大件的手工鏇壓目前常見於銅鋁製品,如銅鍋、銅管樂器、鈸或大型鋁製燈罩等物件。

當代量產的核心技術 : 衝壓 

現代金屬製品的量產很多是應用衝壓的技術,其中的製程主要可分為衝切、成形、鉚合跟深抽。

衝壓一般會有上下兩副模具,將板材放入中間施壓後,即可完成形變、截斷或接合,進而完成物件。最常用於鈑金構件的折彎、沖孔、外形裁切或壓出增加結構強度的稜線,甚至也能直接衝出裝飾性的紋樣;不過這些幾乎都是平面材料的彎折成形,不會大幅影響到料件的厚度,可以想像為較為複雜的摺紙。

深抽成形則是較為特別的項目,可以將平面的板材引伸成立體的中空胚體,引伸過程也會產生壁厚的改變,是生產各式杯具器品的重要工序,在量產上大幅取代傳統的鏇壓成形。

深抽成形的過程

良好的衝壓件質輕但剛性高強,量產快速,品質也十分均一。製程上對於模具的要求嚴格,尤其是結合多種工序的複合模或連續模,成本更是高昂,適合大量而種類單一的生產。從家電、汽車外殼到保溫瓶、托盤等小東西,目前市面上只要看到狀似金屬板材成形的物件,幾乎都是由衝壓量產製造。

重工業的未來趨勢 : 金屬 3D 列印

金屬加工的模具、機具費用非常高,現有製程也存在許多限制。金屬列印蔚為 3D 成形中潛力極高的項目,大幅縮減開發與修正的成本,製作複雜有機的外形時,也沒有鑄件強度較弱的問題。如惠普開發的 HP Metal Jet 技術,不僅成形快速,僅 100 多公克的列印吊環也能輕易吊起 4.5 噸的汽車 !

中亞聯大 3D 列印醫療研發中心使用 Renishaw 的 SLM 金屬列印 (特別感謝 :三帝瑪 )

除了加速開發並挑戰更多元的外型,金屬 3D 列印在醫療或是航太科技上成效尤其驚人,譬如再骨骼或關節的修補上,可根據患者狀況或創口輪廓自由列印最適合的外形,並配合蜂巢結構降低重量,傳統加工方式都不容易達成。

金屬堪稱工業時代最重要的原料,除了成形以外還有許多冶煉和表面處理的細節,可以說是人類史中最為詳細成熟的技術。若少了金屬工藝的發展,那怕科技是得倒退好幾個世紀

更多優秀的金屬加工廠商 : 鑄造 / 鍛造/ 鏇壓 / 衝壓 / 金屬 3D 列印
延伸閱讀 : 陶瓷產品開發必知的五種成形工法


本文中提到的各種成形工法都有詳細的紀錄片以及更多精彩的作品,正在 2019 台灣文博會工藝館中展出。

活動資訊:
2019 臺灣文博會 工藝館《 茶 3.1415| Tea 3.1415 》時間:4/24 – 5/5地點:華山園區 中4B

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